Giáo trình Thực hành Đo lường điện tử (Nghề: Điện tử công nghiệp) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

Chia sẻ: Ca Phe Sua | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Thực hành Đo lường điện tử là môn học bắt buộc, sau khi học xong “đo lường điện tử” phải biết sử dụng thành thạo các dụng cụ đo và thiết bị đo điện tử quan trọng nhất trong thực nghiệm vật lý. Có được kỹ năng phân tích và thiết kế các mạch đo đơn giản, từ đó có cơ sở để phân tích và thiết kế các mạch đo và các hệ thống đo lường phức tạp. Người học có thể ứng dụng để kiểm tra, đo đạt các thông số, thiết bị trong mạch điện, các tín hiệu của dạng sóng - xung trong mạch và các động cơ điện AC 1 pha, AC 3 pha, động cơ điện một chiều...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thực hành Đo lường điện tử (Nghề: Điện tử công nghiệp) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Cơ điện tử ở trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp, giáo trình Thực hành Đo lường điện tử là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun Hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS). Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, lôgíc. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 45 giờ gồm có: Bài MĐ09-01: Đại cương về đo lường Bài MĐ09-02: Kết quả và sai số đo Bài MĐ09-03: Đo các đại lượng điện cơ bản Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Điện tử - Điện lạnh - Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghệ. Xin chân thành cảm ơn !!! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ 2
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ................................................................................................................2 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN ....................................................................................................5 BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG...............................................................................7 1. Khái niệm và ý nghĩa của đo lường ......................................................................... 7 1.1. Khái niệm .............................................................................................................7 1.2. Ý nghĩa của đo lường: ..........................................................................................7 2. Phân loại các đại lượng đo lường ............................................................................. 8 3. Chức năng và đặc tính thiết bị đo lường .................................................................. 8 3.1.Chức năng thiết bị đo lường: .................................................................................8 3.2.Đặc tính thiết bị đo lường: ....................................................................................8 4. Phân loại các phương pháp đo lường ....................................................................... 9 4.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống đo lường ......................................................................9 4.2. Sự chuân hóa trong đo lường .............................................................................. 10 4.2.1. Ý nghĩa của sự chuẩn hóa: ..............................................................................10 4.2.2. Các cấp chuẩn hóa:..........................................................................................10 BÀI 2: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG ..............................................................................12 2.1. Sai số trong đo lường: ......................................................................................... 12 2.1.1. Sai số chủ quan .............................................................................................12 2.1.2. Sai số hệ thống ..............................................................................................13 2.1.3. Sai số ngẫu nhiên: ..........................................................................................13 2.2. Thị sai ................................................................................................................. 14 2.3. Cách tính và biểu diễn sai số: .............................................................................. 15 2.4. CÂU HỎI ÔN TẬP ............................................................................................ 17 BÀI 3: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN...............................................................18 3.1. Đo độ tự cảm và điện dung ................................................................................. 18 3.1.1. Lý thuyết cầu xoay chiều. ...............................................................................18 3.1.2. Điều kiện cân bằng cho cầu đo AC .................................................................18 3.1.3. Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC ....................................................19 3.2. Cầu điện dung. ................................................................................................... 21 3.2.2. Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn ( D>0.1) ........................................................... 23 3
3.3. Cầu điện cảm. ...................................................................................................... 25 3.4. Đo điện trở .......................................................................................................... 30 3.4.1. Phương pháp đo ..............................................................................................30 3.4.2. Giới thiệu phương pháp đo. ............................................................................30 3.5. Volt kế ................................................................................................................. 38 3.5.1. Cách mắc mạch đo ..........................................................................................38 3.6. Ampe kế .............................................................................................................. 39 3.6.1. Cách mắc mạch đo ..........................................................................................39 3.6.2. Đọc giá trị ........................................................................................................39 3.7.Cầu Wheatstone ................................................................................................... 44 3.7.1. Cầu Wheastone cân bằng ................................................................................44 3.7.2. Cầu Wheastone không cân bằng: ....................................................................45 3.8. Đo lường bằng các thiết bị điện tử ...................................................................... 48 3.8.1. Máy phát tín hiệu ............................................................................................48 3.8.2. Máy phát tín hiệu ............................................................................................51 3.8.3. VOM/DVOM vạn năng...................................................................................52 3.8.4. Đo lường bằng máy hiện sóng(Oscilloscope) .................................................74 3.8.5. Đo lường AC ...................................................................................................81 2.8.6. Đo thời gian và tần số .....................................................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................97 4
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Đo lường điện tử Mã mô đun: MĐ ĐTCN 09 Thời gian thực hiện môn học: 45 giờ; (Lý thuyết: 20 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 21 giờ; Thi, tiểm tra: 4 giờ) I. Vị trí, tính chất môn học : - Vị trí: Mô đun được bố trí dạy ngay từ đầu khóa học, trước khi học các môn chuyên môn và có thể học song song với môn cơ bản khác như linh kiện điện tử... - Ý nghĩa: Là môn học bắt buộc, sau khi học xong “đo lường điện tử” phải biết sử dụng thành thạo các dụng cụ đo và thiết bị đo điện tử quan trọng nhất trong thực nghiệm vật lý. Có được kỹ năng phân tích và thiết kế các mạch đo đơn giản, từ đó có cơ sở để phân tích và thiết kế các mạch đo và các hệ thống đo lường phức tạp. Người học có thể ứng dụng để kiểm tra, đo đạt các thông số, thiết bị trong mạch điện, các tín hiệu của dạng sóng - xung trong mạch và các động cơ điện AC 1 pha, AC 3 pha, động cơ điện một chiều... - Tính chất của môn học: Là môn học kỹ thuật cơ sở. II. Mục tiêu môn học : - Kiến thức: + Trình bày được khái niệm đo lường, phương pháp đo, và thiết bị đo + Trình bày được các khái niệm về kết quả đo, đơn vị đo, sai số đo và cách tính sai số + Trình bày được các phương pháp dùng để đo các đại lượng điện, điện tửu cũng như cấu tạo và cách sử dụng các thiết bị đo để đo các đại lượng điện cơ bản - Kỹ năng: + Sử dụng được các thiết bị đo để đo các đại lượng điện, điện tử cơ bản + Đọc được kết quả đo + Thực hiện bảo trì, bảo dưỡng cho máy đo - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Chủ động, tư duy và sáng tạo trong học tập Nội dung của môn học/mô đun: Thời gian (giờ) Số Thực hành, Tên các bài trong môn học Tổng Lý thí nghiệm, Thi/ TT Kiểm số thuyết thảo luận, bài tra tập 1 Bài 1 : Đại cương về đo lường 2 2 2 Bài 2 : Kết quả và sai số đo 4 2 2 5
Bài 3. Đo các đại lượng điện cơ 3 37 16 19 2 bản 4 Thi kết thúc mô đun 2 2 Cộng 45 20 21 4 6
BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO LƯỜNG Bài MĐ09-01: Đại cương về đo lường Giới thiệu: Đo lường là khái niệm mang ý nghĩa rất rộng trong thực tế vì mọi phương cách nhằm nắm bắt đặc tính của đối tượng đều có thể được xem là đo lường. Đo lường điện tử là một phần nhỏ trong khái niệm chung đó, nó là một quá trình thu nhận, biến đổi đại lượng cần đo thành tín hiệu điện và xử lí để phù hợp với sự quan sát hoặc điều khiển. Trong bài này sẽ trình bày về các khái niệm cơ bản về Đo lường điện tử. Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm cơ bản về đo lường - Trình bày được ý nghĩa của đo lường trong học tập và thực tế - Phân loại được các đại lượng đo lường Nội dung chính: 1. Khái niệm và ý nghĩa của đo lường 1.1. Khái niệm Đo lường là khái niệm mang ý nghĩa rất rộng trong thực tế vì mọi phương cách nhằm nắm bắt đặc tính của đối tượng đều có thể được xem là đo lường. Đo lường điện là một phần nhỏ trong khái niệm chung đó, nó là một quá trình thu nhận, biến đổi đại lượng cần đo thành tín hiệu điện và xử lí để phù hợp với sự quan sát hoặc điều khiển. Vì đo lường là khâu đầu tiên trong quá trình điều khiển nên kết quả đo có chính xác thì điều khiển mới chính xác. Do vậy, đo lường không những phải nắm bắt đủ mà còn phải đúng các đặc tính của đối tượng. Đo lường điện được ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển, lĩnh vực này mang những đặc trưng riêng so với các lĩnh vực khác cho nên đo lường điện cũng mang những đặc điểm riêng của nó. Để có được thông số của một đối tượng ta có thể tiến hành đo và đọc trực tiếp giá trị thông số đó trên trên thiết bị đo, cách đo này được gọi là đo trực tiếp nhưng cũng có khi ta không thể đo trực tiếp đối tượng cần đo mà phải đo gián tiếp thông qua các thông số trung gian sau đó dùng công thức hoặc biểu thức toán học để tính ra đại lượng cần tìm. 1.2. Ý nghĩa của đo lường: Đo lường nói chung và đo lường điện nói riêng có một ý nghĩa vô cùng quan trọng trong đời sống con người. Trước khi khống chế và điều khiển bất kỳ đối tượng nào thì con người cần phải nắm bắt được đầy đủ và chính xác những thông số về đối tượng đó, và điều này chỉ thực hiện được nhờ vào quá trình đo lường. 7
2. Phân loại các đại lượng đo lường Trong lĩnh vực đo lường điện, dựa vào tính chất của đại lượng đo chúng ta phân ra làm hai loại cơ bản là đại lượng điện và đại lượng không điện. a. Đại lượng điện: Gồm hai loại: Đại lượng điện tác động (active): Là những đại lượng mang năng lượng điện như điện áp, dòng điện, công suất. Khi đo các đại lượng này, bản thân năng lượng của chúng sẽ cung cấp cho mạch đo. Do vậy ta không cần cung cấp thêm năng lượng từ phía ngoài. Trong trường hợp năng lượng từ đối tượng cần đo quá lớn có thể gây hư hỏng cho mạch đo thì ta phải giảm nhỏ cho phù hợp. Ngược lại, khi năng lượng này quá nhỏ thì cần phải khuyếch đại cho đủ lớn trước khi đưa vào mạch đo. Đại lượng điện thụ động (passive): Là những đại lượng không mang năng lượng điện như đại lượng điện trở, điện dung, điện cảm, hỗ cảm... Khi tiến hành đo các đại lượng này chúng ta phải cung cấp năng lượng cho mạch đo bằng cách dùng pin hoặc nguồn điện ngoài. Chú ý trong suốt quá trình đo ta phải đảm bảo năng lượng cung cấp ổn định và liên tục. b. Đại lượng không điện: Con người luôn có ham muốn khống chế các đối tượng xung quanh theo ý mình trong khi hầu hết các đối tượng này đều ở dạng không điện như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, độ pH, nồng độ, áp suất... Việc điều khiển có thể thực hiện đơn giản bằng tay, nhưng trong xu hướng công nghiệp hóa như hiện nay thì việc điều khiển đều có liên quan đến máy móc và tín hiệu điện. Do vậy muốn điều khiển chúng, ta phải thực hiện việc chuyển đổi các đại lượng từ không điện thành các đại lượng điện sau đó mới đưa vào mạch điện để xử lí tiếp. Việc chuyển đổi này được thực hiện nhờ vào các cảm biến (sensor) hoặc các bộ chuyển đổi (transducer), và nguyên tắc cơ bản phải đảm bảo là phản ánh trung thực sự thay đổi của đại lượng không điện tại ngõ vào. 3. Chức năng và đặc tính thiết bị đo lường 3.1.Chức năng thiết bị đo lường: Hầu hết các thiết bị đo đều có chức năng chỉ thị kết quả đo đại lượng đang khảo sát. Ngoài ra, kết quả có thể được ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc được dùng làm tín hiệu điều khiển các đại lượng khác theo ý muốn (Giám sát quá trình _ Process Measurement). 3.2.Đặc tính thiết bị đo lường: Mỗi loại thiết bị đo có các đặc tính riêng nhằm phân biệt với thiết bị đo khác. 8
Một số đặc tính của thiết bị đo như: Nguyên lí đo, cách chỉ thị kết quả, tính chất mạch giao tiếp ngõ vào, khả năng xử lí kết quả... 4. Phân loại các phương pháp đo lường Phương pháp đo lường được hiểu là cách thức nhằm lấy được giá trị của đại lượng cần đo. Một cách tổng quát có thể chia phương pháp đo thành 2 loại: Phương pháp đo gián tiếp: Phải thông qua những đại lượng liên quan đến đại lượng cần đo. Giá trị của đại lượng cần đo được tính bằng công thức liên hệ với các đại lượng có liên quan. Phương pháp đo trực tiếp: Không cần thông qua những đại lượng khác mà trực tiếp đo đối tượng đó. Chẳng hạn ta dùng Volt kế và Ampe kế để đo điện áp rơi và dòng điện chạy qua linh kiện điện trở, sau đó sử dụng công thức R = Y để tính giá trị R, đây là cách đo gián tiếp, hoặc cũng có thể dùng Ohm kế đo giá trị R, gọi là cách đo trực tiếp. Một điều cần lưu ý là việc phân biệt phương pháp đo trực tiếp và gián tiếp chỉ mang ý nghĩa tương đối. Tức là, nếu xét về khía cạnh nào đó thì có thể xem phương pháp đo đang thực hiện là trực tiếp nhưng nếu xét về mặt khác thì có thể nó không còn là trực tiếp nữa. Chẳng hạn khi dùng đồng hồ điện tử (DMM) đo dòng điện chạy qua điện trở thì việc dùng chức năng đo dòng điện của đồng hồ được xem là cách đo trực tiếp, nhưng nếu xét kĩ hơn về mặt cấu tạo của nó: mọi đại lượng điện ngõ vào đều được chuyển thành tín hiệu điện áp trước khi đưa vào mạch đo của đồng hồ thì dòng điện này rõ ràng đã được đo gián tiếp thông qua đại lượng trung gian là điện áp. 4.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống đo lường Đại lượng cần đo: Là các thông số, tính chất của đối tượng cần đo, chúng có thể tồn tại dưới dạng điện hoặc không điện. Cảm biến: Là linh kiện, thiết bị có nhiệm vụ chuyển đổi đại lượng cần đo thành đại lượng điện trước khi truyền đến các khối xử lí tiếp theo. Mạch đo: Tập hợp các bộ phận giao tiếp, khuyếch đại, chuyển đổi... để biến tín hiệu điện ngõ vào cho phù hợp với khối hiển thị, lưu trữ, điều khiển. Hiển thị, lưu trữ, điều khiển: Là phần sau cùng trong hệ thống đo lường giúp người vận hành quan sát và nhận biết giá trị của đại lượng đang đo, hoặc lưu trữ lại để xử lí sau, hoặc điều khiển tự động các thiết bị khác. 9
4.2. Sự chuân hóa trong đo lường 4.2.1. Ý nghĩa của sự chuẩn hóa: Mục đích công việc đo lường nhằm lấy được các thông số thực sự của đối tượng cần đo. Muốn vậy, con người không thể chỉ sử dụng các giác quan của mình mà cần phải dùng đến các thiết bị đo. Thiết bị đo được cung cấp bởi nhà chế tạo, trước khi xuất xưởng chúng được kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt. Nhưng khi đến tay người sử dụng thì thiết bị đo đã phải trải qua quá trình vận chuyển, chính những tác động trong quá trình này có thể ảnh hưởng đến chất lượng thậm chí làm giảm cấp chính xác của thiết bị. Về phía người sử dụng luôn mong muốn thiết bị có cấp chính xác thật cao. Nhưng thiết bị càng chính xác thì cấu tạo càng phức tạp và giá thành càng đắt. Như vậy người sử dụng phải biết được mức độ công việc đòi hỏi một thiết bị đo với cấp chính xác như thế nào là vừa đủ. Khi phân tích và hiểu rõ yêu cầu của mình, người sử dụng sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí, thời gian cũng như tăng hiệu quả sử dụng thiết bị. Để đánh giá chất lượng thiết bị một cách khách quan và chính xác, các Trung tâm kiểm định được thành lập nhằm cấp giấy chứng nhận chất lượng cho thiết bị. Việc kiểm định chất lượng được thực hiện bằng sự chuẩn hóa (Calibration) là một công việc hết sức cần thiết trước khi đưa thiết bị vào sử dụng. Như đã trình bày ở trên, tùy theo công việc cụ thể của người sử dụng mà thiết bị phục vụ cần một cấp chính xác tương ứng. Do vậy cần có nhiều cấp chuẩn hóa khác nhau để kiểm định chất lượng của thiết bị ở những mức độ khác nhau. Việc phân cấp như vậy là cần thiết đảm bảo tiết kiệm về kinh tế và thời gian cho các bên liên quan. 4.2.2. Các cấp chuẩn hóa: Việc chuẩn hóa một thiết bị được xác định theo 1 trong 4 cấp sau: Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International Standard) Các thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế được định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt tại Paris (Pháp). Các thiết bị đo lường chuẩn hóa cấp 1 này theo định kỳ được đánh giá và kiểm tra lại theo trị số đo tuyệt đối của các đơn vị cơ bản vật lý được hội nghị quốc tế về đo lường giới thiệu và chấp nhận. Cấp 2: Chuẩn quốc gia (National Standard) Các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới được chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế. Các thiết bị được định chuẩn tại 10
Viện định chuẩn quốc gia thì mang chuẩn quốc gia. Cấp 3: Chuẩn khu vực (Zone Standard) Trong một quốc gia có thể có nhiều Trung tâm định chuẩn cho từng khu vực (standard zone center). Các thiết bị đo lường tại trung tâm này đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia. Những thiết bị đo lường được định chuẩn tại các Trung tâm định chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực. Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm (Lab Standard) Trong từng khu vực chuẩn hóa sẽ có những phòng thí nghiệm được công nhận để chuẩn hóa các thiết bị được dùng trong sản xuất công nghiệp. Như vậy các thiết bị được chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm này sẽ có chuẩn phòng thí nghiệm. Do đó các thiết bị đo lường khi được sản xuất ra được định chuẩn tại cấp nào thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn đo lường cấp đó. Một thiết bị sau khi đã được định chuẩn và đem sử dụng thì sau một khoảng thời gian nhất định phải được kiểm định và cấp giấy chứng nhận chất lượng lại. Nói một cách khác giấy chứng nhận chất lượng chỉ có giá trị trong một thời hạn nhất định. Câu hỏi ôn tâp: 1. Đo lường điện đóng vai trò như thế nào trong hệ thống điều khiển tự động? 2. Hãy phân biệt giữa đại lượng điện và đại lượng không điện? Việc đo lường những đại lượng này có điểm gì khác nhau? 3. Hãy phân biệt giữa phương pháp đo gián tiếp và phương pháp đo trực tiếp? 4. Trình bày ý nghĩa của các thành phần trong sơ đồ tổng quát của hệ thống đo lường? 5. Tại sao các thiết bị đo lường cần được chuẩn hóa trước khi đưa vào sử dụng? Trình bày các cấp chuẩn hóa? 11
BÀI 2: SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Bài MĐ09-02: Đại cương về đo lường Giới thiệu Khi một phép đo không lấy được giá trị thực của đại lượng cần đo, ta nói phép đo đó đã mắc sai số. Có thể khẳng định rằng tất cả các phép đo đều mắc sai số. Thiết bị đo dù có chất lượng cao đến thế nào cũng vẫn mắc sai số, chỉ khác là sai số đó lớn hay bé mà thôi. Trong bài này sẽ đề cập về khái niệm, phân loại và cách giải quyết đê phép đo có sai số nhỏ nhất. Mục tiêu: - Trình bày được các sai số trong kỹ thuật đo lường, nguyên nhân và biện pháp phòng tránh giảm sai số trong đo lường. - Có ý thức trách nhiệm và bảo quản thiết bị dụng cụ Nội dung chính: 2.1. Sai số trong đo lường: - Khái niệm: Là độ chênh lệch giữa kết quả đo và giá trị thực của đại lượng đo. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị đo, phương thức đo, người đo… - Nguyên nhân gây sai số Không có phép đo nào là không có sai số. vấn đề là khi đo phải chọn đúng phương pháp thích hợp, cũng như cần cẩn thận, thành thạo khi thao tác , để hạn chế sai số các kết quả đo sao cho đến mức ít nhất.Các nguyên nhân gây ra sai số thì có nhiều, người ta phân loại nguyên nhân gây ra sai số là đo các yếu tố khách quan và chủ quan gây nên. Các nguyên nhân khách quan ví dụ: dụng cụ đo lường không hoàn hảo, đại lượng đo được bị can nhiễu nên không hoàn toàn được ổn định…Nguyên Nhân chủ quan, ví dụ: đo thiếu thành thạo trong thao tác, phương pháp tiến hành đo không hợp lý… Vì có các nguyên nhân đó và ta cũng không thể tuyệt đối loại trừ hoàn toàn được như vậy nên kết quả của phép đo nào cũng chỉ cho giá trị gần đúng. Ngoài việc cố gắng hạn chế sai số đo đến mức thấp nhất, ta còn cần đánh giá được xem kết quả đo có sai số đến mức độ nào. - Phân loại sai số Mỗi thiết bị đo có thể cho độ chính xác cao, nhưng có thể có các sai số đo các hạn chế của thiết bị đo, do các ảnh hưởng của môi trường, và các sai số đo người đo khi thu nhận các số liệu đo. Các loại sai số có ba dạng: Sai số chủ quan (Sai số thô), sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên. 2.1.1. Sai số chủ quan (Các sai số thô): có thể quy cho giới hạn của các thiết bị đo hoặc là các sai số đo người đo. 12
Giới hạn của thiết bị đo: Ví dụ như ảnh hưởng quá tải gây ra bởi một voltmeter có độ nhạy kém. Voltmeter như vậy sẽ rẽ dòng đáng kể từ mạch cần đo và vì vậy sẽ tự làm giảm mức điện áp chính xác. 2.1.2. Sai số hệ thống: Sai lệch có cùng dạng, không thay đổi được gọi là sai số hệ thống. Ví dụ: Giả sử dùng thước 20m để đo một đoạn thẳng nào đó, nhưng chiều dài thật của thước lúc đó lại là 20,001m. Như vậy trong kết quả một lần kéo thước có chứa 1mm, sai số này được gọi là sai số hệ thống. - Có hai loại sai số: Sai số của thiết bị đo và sai số do môi trường đo. * Sai số của thiết bị đo: là do ma sát ở các bộ phận chuyển động của hệ thống đo hay do ứng suất của lò xo gắn trong cơ cấu đo là không đồng đều. Ví dụ, kim chỉ thị có thể không dừng ở mức 0 khi không có dòng chảy qua đồng hồ. Các sai số khác là đo chuẩn sai, hoặc do đao động của nguồn cung cấp, do nối đất không đúng, và ngoài ra còn do sự già hoá của linh kiện. Cũng là loại sai số tương tự sai số đọc, nhưng không phải do mắt, mà do sự hiển thị của các thiết bị đo kỹ thuật số. Các giá trị mà chúng có thể cho hiển thị trên màn hình chỉ là các giá trị gián đoạn (ví dụ: card chuyển từ analog – “tín hiệu tương tự” sang digital – “tín hiệu số”, nếu là loại 8 bits thì chỉ có thể hiển thị được 28=256 mức khác nhau), nếu kết quả đo không trùng với các mức đó thì sẽ được làm tròn. Ngoài ra, khi đại lượng cần đo có sự dao động lớn hơn khoảng cách giữa hai mức tín hiệu số cạnh nhau, ta còn thấy các con số hiển thị thay đổi liên tục, việc chọn giá trị nào là tùy người sử dụng. * Sai số do môi trường đo: là sai số do các điều kiện bên ngoài ảnh hưởng đến thiết bị đo trong khi thực hiện phép đo. Sự biến thiên về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, từ trường, có thể gây ra các thay đổi về độ dẫn điện, độ rò, độ cách điện, điện cảm và điện dung. Biến thiên về từ tính có thể đo thay đổi mô men quay (tức độ lệch). Các thiết bị đo tốt sẽ cho các phép đo chính xác khi việc che chắn các dụng cụ đến mức tối đa, sử dụng các màn chắn từ trường, v. v... Các ảnh hưởng của môi trường đo cũng có thể gây ra độ dịch chuyển nhỏ ở kết quả, do thay đổi nhỏ về dòng điện. 2.1.3. Sai số ngẫu nhiên: Giả sử thước có vạch chia nhỏ nhất đến 1mm, thì sai số dọc thước ở phần ước lượng nhỏ hơn mm là sai số ngẫu nhiên. Sai số ngẫu nhiên là những sai số mà trị số và đặc điểm ảnh hưởng của nó đến mỗi kết quả đo đạc không rõ ràng, khi thì xuất hiện thế này, khi thì xuất hiện thế kia, ta không thể biết trước trị số và dấu của nó. Vì vậy sai số ngẫu nhiên xuất hiện ngoài ý muốn chủ quan của con người, chủ yếu do điều kiện bên ngoài, ta khó khắc phục mà chỉ có thể tìm cách hạn chế ảnh hưởng của nó. Sai số ngẫu nhiên có các đặc tính sau. Sai số ngẫu nhiên có trị số và dấu xuất hiện không theo quy luật, nhưng trong cùng một điều kiện đo nhất định, sai số ngẫu nhiên sẽ xuất hiện theo những quy luật. 13
 Đặc tính giới hạn: Trong những điều kiện đo đạc cụ thể, trị tuyệt đối của sai số ngẫu nhiên không vượt quá một giới hạn nhất định.  Đặc tính tập trung: Sai số ngẫu nhiên có trị tuyệt đối càng nhỏ, thì có khả năng xuất hiện càng nhiều.  Đặc tính đối xứng: Sai số ngẫu nhiên dương và âm với trị số tuyệt đối bé có số lần xuất hiện gần bằng nhau.  Đặc tính bù trừ: Khi số lần đo tiến tới vô cùng, thì số trung bình cộng của các sai số đo đạc ngẫu nhiên của cùng một đại lượng sẽ tiến tới không. Tức là:  n i lim i 1  0 (2.4) n n - Ngoài các sai số trên để đánh giá sai số của dụng cụ khi đo một đại lượng nào đó người ta còn phân loại. - Sai số tuyệt đối:là hiệu giữa giá trị đại lượng đo Yn và giá trị thực Xn e = Y n - Xn Yn  X n - Sai số tương đối (tính theo %): er | |100% (2.5) Yn Trong đó: er - sai số tương đối, Yn - giá trị đại lượng đo; Xn - giá trị thực (trị số đo được) - Độ chính xác tính theo %: a = 100% – er = (A×100%) (2.6) 2.2. Thị sai Thị sai thể hiện trạng thái trong đó chỉ có một điểm để xác định đường thẳng từ mắt đến thang đo và điểm này chính là đầu kim hay đầu nhọn của thước đo (phụ thuộc vào điểm nhìn). Sự khác nhau trong việc đọc không do dụng cụ gây nên mà do vị trí của mắt so với mũi nhọn của kim đo. Các nhầm lẫn như vậy có thể do đánh giá sai khi kim nằm giữa hai vạch chia.  Nhiệm vụ của người quan sát khi thực hiện phép đo: Chuẩn bị trước khi đo: phải nắm được phương pháp đo, am hiểu về thiết bị đo được sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với môi trường xung quanh. Trong khi đo: Phải biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn. Sau khi đo: nắm chắc các phương pháp gia công kết quả đo để gia công kết quả đo. Xem xét kết quả đo đạt yêu cầu hay chưa, có cần phải đo lại hay phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê. - Không có thang đo nào có đủ các vạch cho mọi giá trị ( ví dụ: Thước kẻ chỉ chia vạch đến mm, do đó các độ dài không phải số nguyên lần mm thì người đo phải 14
nhận định về phần lẻ là bao nhiêu phần trăm của 1mm). Sai số loại này rất phổ biến và do tính chủ quan của người đọc. - Khi dùng đồng hồ kim, kim của đồng hồ không nằm trong mặt phẳng chứa các vạch chia độ. Khi đó vị trí đặt mắt không đúng sẽ làm tăng sai số đọc. Vị trí đúng là vị trí mà mặt phẳng do con ngươi của mắt và kim của đồng hồ tạo thành một mặt phẳng vuông góc với mặt chia độ. Do vậy, đôi khi người ta phải có gương phản xạ trên mặt chia độ, và chỉ cần chọn vị trí của mắt sao cho ảnh của kim bị khuất sau chính kim đó. 2.3. Cách tính và biểu diễn sai số: Sau khi đã loại trừ sai số thô, trong phép đo một đại lượng nào đó chỉ còn mắc phải sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số tổng hợp của phép đo bằng tổng của hai loại sai số trên: AX = AXh + AXn Qua nghiên cứu về sai số trong phép đo, người ta nhận thấy rằng: • Số lần xuất hiện sai số ngẫu nhiên có cùng độ lớn và trái dấu nhau là bằng nhau. • Số liệu chứa sai số càng lớn thì có số lần xuất hiện càng ít. • Trị số tuyệt đối của các sai số ngẫu nhiên không vượt quá một giới hạn xác định. • Giả sử một đại lượng vật lí có giá trị thực là x. Ta thực hiện phép đo đại lượng đó n lần, và tính toán để lấy giá trị trung bình của n lần đo, ta nhận thấy giá trị này gần đúng với giá trị thực x. Bằng chứng minh toán học, người ta cũng khẳng định rằng nếu số lần đo n đủ lớn thì giá trị thực x sẽ gần đúng giá trị trung bình cộng của tất cả các lần đo đó. Ngoài các sai số trên, để đánh giá sai số của dụng cụ khi đo một đại lượng nào đó người ta còn phân loại như sau: Sai số tuyệt đối (AX):là độ sai lệch giữa trị số đo được (X) và trị số thực (x) của đại lượng cần đo. AX= X - x Khi đó khoảng [X - AX, X + AX] sẽ bao quanh giá trị chân thực x, nghĩa là: (X - AX)
trị số sai số tương đối cũng chỉ đặc trưng cho mức độ chính xác của đồng hồ đo ở một điểm đã biết trên thang đo, khi cần đặc trưng cho mức độ chính xác trên toàn thang đo người ta dùng khái niệm sai số quy dẫn. Sai số quy dẫn (Y):là sai số tính theo phần trăm tỷ số giữa sai số tuyệt đối với giới hạn lớn nhất của thang đo: AX Y = ——. 100% X max Mỗi dụng cụ đo có một giá trị sai số tuyệt đối cho phép lớn nhất, khi đó sai số quy dẫn cho phép lớn nhất là: Y = AXmax .100% X max Đây cũng chính là cấp chính xác k được dùng để đánh giá tính chính xác của dụng cụ đo. Cấp chính xác k thường gặp là: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4; 5... Như vậy một dụng cụ đo sẽ cho ra kết quả có sai số nhỏ hơn hoặc bằng sai số quy dẫn, nếu vượt quá sai số này thì dụng cụ đo không còn đảm bảo tiêu chuẩn và cần phải được hạ cấp chính xác xuống. Chẳng hạn khi xác định khối lượng của một quả cầu nhỏ người ta dùng cân và được kết quả sau: mi = (15,5 ± 0,3)g Nghĩa là khối lượng thực của quả cầu nhỏ được xác định trong giới hạn: 15,2g
x = X±AX • Làm tròn giá trị sai số tuyệt đối AX, ta giữ lại một chữ số khác 0 và làm tròn số này lên một đơn vị. Nếu sai số sau khi làm tròn vượt quá 25% sai số ban đầu thì ta giữ lại hai chữ số khác 0. • Làm tròn giá trị trung bình để sau khi làm tròn thì chữ số nhỏ nhất của nó có bậc lớn hơn hoặc bằng bậc của sai số. Nếu chữ số cần làm tròn nhỏ hơn 5 thì ta có quyền bỏ luôn chữ số đó. • Ta viết giá trị trung bình dưới dạng chuẩn hóa (chỉ có một chữ số trước dấu phẩy, nhân với cơ số 10 lũy thừa). Cũng làm tương tự cho sai số. Biểu diễn kết quả thông qua giá trị trung bình và giá trị sai số. Ví du: , , , , , , Người ta cần kiểm tra cấp chính xác của một Volt kế, cho biết Volt kế này có giới hạn đo là Uđm = 150 [V]. Dùng một Volt kế mẫu có cấp chính xác k = 0,1 và có Uđm = 200 [V] để kiểm tra. Khi đo điện áp, Volt kế mẫu chỉ 128 [V] và Volt kế cần kiểm tra chỉ 124,5 [V]. a. Tính sai số tuyệt đối, sai số tương đối của Volt kế kiểm tra tại trị số đã cho? b. Tìm cấp chính xác của Volt kế cần kiểm tra, cho biết sai số tuyệt đối đã tìm được là sai số tuyệt đối lớn nhất? Đáp số: a. AUkt = 3,5 ± 0, 2 [V ] s 1 = 2,7% s2 = 3,0% b. k = 2,46% Ví du 2: Một Ampe kế có giới hạn đo là Iđm = 30 [A] và cấp chính xác k =1,5 a. Tìm sai số tuyệt đối lớn nhất AImax? b. Tìm sai số tương đối khi đồng hồ đo được các giá trị 5 [A], 15 [A]? c. Hãy xác định giá trị thực của dòng điện cần đo ID nằm trong giới hạn nào? Đáp số: a. Almax = ± 0,45 (A) b. E1 = 9% ; E1 = 3% 4,55
7. Cấp chính xác của dụng cụ đo là gì? Phân biệt sai số của phép đo và cấp chính xác của dụng cụ đo khác nhau ở chổ nào ? BÀI 3: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN Bài MĐ09-03 : Đo các đại lượng điện cơ bản Giới thiệu Các đại lượng điện cơ bản và cách thức sử dụng các thiết bị cơ bản nhất để đo đạc giá trị và chất lượng của các đại lượng đó là một vấn đề quan trọng nhất của MĐ Đo lường điện tử. Ở bài này sẽ đề cập đến các kiến thức lý thuyết và thực hành về đo lường bằng các thiết bị thô sơ đến các thiết bị hiện đại. Mục tiêu: + Về kiến thức: Trình bày được cấu trúc, nguyên lý, phương pháp đo độ tự cảm, điện dung của linh kiện dùng cầu xoay chiều. Phân biệt được các loại cơ cấu đo chỉ thị kim, trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của mỗi loại. + Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các loại thiết bị đo lường điện tử.Hiểu được chức năng của thang đo, cách đọc giá trị đo,... + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. 3.1. Đo độ tự cảm và điện dung 3.1.1. Lý thuyết cầu xoay chiều. Cầu đo dòng xoay chiều (Hình 3.1) là loại dựa trên cầu đơn dùng để đo điện cảm, điện dung. Để đơn giản ta coi cầu đo AC được cấu tạo giống như cầu đo Wheatstone một chiều (cầu đo DC). Nguồn cung cấp cho mạch cầu là nguồn xoay chiều có tần số 50Hz (tần số điện lưới) - tín hiệu sin (độ méo dạng nhỏ), tần số âm tần (khoảng 1kHz ). Chỉ thị không là một dụng cụ xoay chiều như điện kế điện tử, máy hiện sóng, vvv…. Tuy nhiên, ở đây chúng ta chỉ đề cập đến phương pháp cân bằng cho cầu đo AC, điều kiện cân bằng phải đạt được hai thành phần là cân bằng về biên độ và cân bằng về pha. 3.1.2. Điều kiện cân bằng cho cầu đo AC Khi cầu cân bằng ta có: UZ1 = UZ2 ; UZ3 = UZ4 Do đó: I 1 Z1 = I 2 Z2 (3.1) I 1 Z3 = I 2 Z4 (3.2) (3.3) Chia (1) cho (2) ta có: 18
Hình 3.1: Cầu xoay chiều hay: Z1. Z4 = Z2. Z3 (Cầu AC cân bằng, nghĩa là kim điện kế G chỉ số 0) Trong đó: Z1, Z2, Z3 và Z4 là các tổng trở tương ứng, do Z = R + jX nên cầu cân bằng phải đạt điều kiện R1 R4 = R2 R3 ( R-là thành phần thực ) X1 X4 = X2 X3 ( X- thành phần ảo ) Ví dụ: Z = 2+j3 [  ] 3.1.3. Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC Tai nghe (earphone hoặc headphone) hình 4.2a: Giá thành rẻ, tương đối nhạy, được dùng phổ biến có khả năng phân biệt được sự cân bằng của cầu một cách tương đối chính xác. Tuy nhiên còn phụ thuộc vào độ thính tai của người làm thí nghiệm. Hình 3.2a: Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC Điện kế AC hình 4.2b: Điện kế DC kết hợp với mạch chỉnh lưu hoặc bộ biến đổi AC/DC chúng ta có điện kế AC. Muốn tăng độ nhạy cho cầu AC chúng ta thêm mạch khuếch đại cho điện kế AC. Thiết bị này chính xác hơn và khách quan hơn so với tai nghe. Ngoài ra còn có thể có nhiều tầm độ nhạy khác nhau thay đổi theo điện áp không cân bằng của cầu. 19
Dao động ký: Theo điều kiện thuận lợi của phòng thí nghiệm, nếu có được dao động ký, chúng ta cũng có thể dùng để kiểm tra sự cân bằng của cầu một cách chính xác hơn với mọi tín hiệu ở tần số bất kỳ cung cấp cho cầu. Hình 3.2b: Thiết bị chỉ thị sự cân bằng của cầu đo AC Các phần tử mẫu ( điện trở mẫu, điện cảm mẫu, điện dung mẫu) dùng trong cầu AC. Điện trở mẫu hình 3.3: Đối với phần tử điện trở hoạt động ở tín hiệu xoay chiều, giá trị điện trở thường lớn hơn trong trường hợp hoạt động với dòng điện DC. Hiệu ứng ngoài mặt của dây dẫn phụ thuộc vào tần số tín hiệu, tiết diện dây dẫn và điện trở suất. Ở tần số âm thanh (1kHz) hiệu ứng này không đáng kể khi dây có điện trở suất lớn và tiết diện nhỏ được sử dụng. Đối với tín hiệu AC có tần số cao đi qua điện trở mạch tương đương của điện trở có dạng mạch tương đương như hình 4.3a. Để giảm được điện cảm ký sinh người ta quấn số vòng thuận nghịch kế cận nhau như hình 4.3b. Tuy nhiên để ảnh hưởng của tụ điện ký sinh giảm người ta quấn dây dẫn theo kiểu Curtis và Grover như hình 4.3c, khi điện trở có giá trị lớn người ta quấn trên bìa mỏng theo kiểu đan rổ. Hình 3.3: a) Mạch tương đương của điện trở ở tần số cao b) Kiểu quấn số vòng thuận nghịch kế cận bằng nhau c) Kiểu quấn Curtis và Grover Tụ điện hình 3.4: Trong thực tế dòng điện I qua tụ điện không lệch pha 900 đối với điện áp rơi trên tụ điện vì có tổn hao bên trong tụ điện. Tổn hao này do điện môi trong tụ điện có điện trở rỉ (không cách điện hoàn toàn). Do đó mạch tương đương của tụ điện được diễn tả theo hình 4.4. Nếu gọi d là góc mất của điện dung do tổn hao công suất trên điện dung, thì ta có: P = UI cos = sin, với cos = (/2) -  ( 3.4) Nếu  nhỏ, công suất hao mất trên điện dung P = V.I.. Các tụ điện mẫu dùng trong cầu đo xoay chiều được chế tạo bằng các điện môi có tổn hao rất ít (độ cách điện tốt), góc mất  cố định không phụ thuộc vào tần số tín hiệu và nhiệt độ của môi trường. Có nhiều loại tùy theo khoảng trị số tụ điện cần sử dụng. 20